Николаус Раевский с коллегами из Берлинского института биологии (BIMSB) Центра молекулярной медицины Макса Дельбрюка (MDC), представили работу, в которой впервые показали роль кольцевых молекул РНК в работе мозга.

Уже известно более двадцати различных типов некодирующих молекул РНК. Они могут быть длинными некодирующими РНК (lncRNAs) или короткими регуляторными РНК (miRs); могут ингибировать синтез белка (siRNAs) или участвовать в его синтезе (тРНК). Менее известна роль кольцевых РНК (circRNA). Это необычный класс молекул, головки которых связаны с их хвостами, образуя ковалентно замкнутое кольцо. Такие структуры долгое время считались редким, экзотическим видом РНК. На самом деле, верно обратное. Результаты секвенирования РНК показали, что они представляют собой большой класс молекул, интенсивно экспрессирующийся в тканях мозга. Большинство кольцевых РНК необычайно стабильны, они сохраняются в цитоплазме в течение нескольких часов и даже дней.


Иллюстрация с сайта http://neurosciencenews.com/circular-rna-brain-function-7277/

В 2013 году в журнале «Nature» были опубликованы два исследования – группы Николауса Раевского из Германии и Йоргена Кьемса из Орхусского университета Дании. И те и другие изучали крупную кольцевую РНК Cdr1as размером в 1500 нуклеотидов, которая синтезируется в мозгу мыши и человека. Выяснилось, что у этой РНК около семидесяти сайтов связывания микрорегуляторной РНК (микроРНК) под названием miR-7. МикроРНК блокируют трансляцию, связываясь с матричной РНК (разным матричным РНК соответствуют свои микроРНК) и мешают рибосоме работать с этой мРНК. Значение микроРНК в регуляции молекулярно-генетической активности чрезвычайно велико, и многие из этих молекул, как считается, связаны с такими заболеваниями, как рак или синдром Паркинсона.

Исследователи из Дании обнаружили, что кольцевая РНК работает как блокатор микроРНК miR-7. Чем больше в клетке было кольцевой РНК, тем менее активной оказывалась miR-7. Происходит это, по-видимому, оттого, что большая кольцевая РНК собирает на себя маленькие miR-7 и не даёт им связываться с матричными РНК. С другой стороны, команда из Германии показала, что избыток кольцевой РНК у рыбки Danio rerio влияет на развитие мозга — и влияет таким же образом, как отсутствие микрорегуляторных miR-7. Кроме того, Раевский и его сотрудники проанализировали базы данных и обнаружили тысячи различных circRNAs у нематод, мышей и людей. Большинство из них были очень консервативны на протяжении всей эволюции.

Cdr1as присутствует только в нейронах, в глии этих молекул нет. С данной кольцевой РНК связывается не только miR-7, но и miR-671. В новой работе Rajewsky и его сотрудники избирательно удаляли circRNA Cdr1as у мышей с использованием технологии редактирования генома CRISPR/cas9. При этом экспрессия большинства микроРНК в четырех изученных областях мозга оставалась неизменной. Однако концентрация miR-7 был сниженной, а miR-671 повышалась. Эти изменения были посттранскрипционными, что согласуется с идеей, что Cdr1 обычно взаимодействует с этими микроРНК в цитоплазме.

Все это указывает на то, что Cdr1a сохраняет или переносит miR-7 в нейронах, тогда как miR-671 может служить для регуляции концентрации данной кольцевой РНК. Если бы микроРНК свободно находились в цитоплазме без каких-либо связей с другими молекулами, они бы разрушались. Cdr1a предотвращает это, а также переносит их в новые места, такие как синапсы. Возможно, следует думать о Cdr1as не как о «губке», а как о «лодке». Она не позволяет своим пассажирам утонуть, а также переносит их в новые места.

Изменения концентрации микроРНК оказывает сильное воздействие на мРНК, продуцируемые нервными клетками, особенно на такие группы, как «ранние гены» и гены белков, участвующих в поддержании циклов сна.

Используя электрофизиологию на нейронах без Cdr1a, исследователь Кристиан Розенмунд показал, что спонтанное высвобождение везикул в синапсе происходит вдвое чаще, чем в нейронах синтезирующих Cdr1a. Синаптические реакции на два последовательных стимула также меняются. Похоже, что Cdr1as модулирует работу синапсов. Несмотря на то, что мыши были нормальными в отношении других форм поведения, они не смогли настроиться на внешние стимулы, такие как шумы. Аналогичные нарушения в PPI торможении (Prepulse inhibition) отмечаются у пациентов, страдающих шизофренией и другими психическими заболеваниями.

Когда громкий шум внезапно нарушает тихую атмосферу библиотеки, вы не можете не встревожиться. Однако такой же звук будет казаться гораздо менее угрожающим рядом со строительной площадкой. В этом случае мозг имеет возможность обрабатывать предыдущие шумы и отфильтровывать ненужную информацию. Таким образом, рефлекс испуга ослабляется (PPI торможение). Это одна из основных функций мозга, которая позволяет здоровым животным и людям временно адаптироваться к сильному стимулу и избежать информационной перегрузки.

«Наши данные свидетельствуют о том, что Cdr1as и ее взаимодействия с микроРНК важны для сенсомоторной и синаптической передачи», - говорит Николаус Раевский. «В более общем плане, поскольку мозг является органом с исключительно высокой и разнообразной экспрессией кольцевых РНК, мы считаем, что наши данные свидетельствуют о существовании ранее неизвестных биологических функций, выполняемых этими молекулами».

Новость подготовил © 2017 Богуславский Д.B.

18.10.2017